Metsäbiomassan energiakäyttö

Transkriptio

1 Metsäbiomassan energiakäyttö Johtava tutkija Eija Alakangas Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Tiedetreffit: Biotalouden sivuvirrat ja energiaratkaisut 17. huhtikuuta 2018, JAMK Biotalousinstituutti 1

2 Metsäenergia tilastojen valossa 2

3 LATVUS 5% DiffrentPuu p tuotteisiin ja energiaksi OKSAT 10 15% KUITU- PUU 25% TUKKI 35% MUUT PUUENERGIAN LÄHTEET - Hylkypuu - Lahovikainen puu - Vaurioitunut puu - Lumen rikkoma puu - Puulajit, jotka eivät kiinnosta teollisuutta PUUSTA PÄÄTYY JUURET 10 20% KANTO 5 10% n. 50 % Tuotteiksi (sellu, paperi, sahatavara, levytuotteet) n. 50 % Energiaksi (teollisuuden sivutuotteista ja metsähake) 3

4 4

5 Uusiutuvat energialähteet 2016, PJ Biopolttoaineet, liikenne; 7,6 Lämpöpumput; 21,3 Kierrätyspolttoaineet biohajoava osa; 12,8 Vesivoima; 56,3 Muu bioenergia; 4,0 Biokaasu; 2,6 Puupolttoaineet; 349,1 Tuulivoima; 11,0 75,1 % uusiutuvista Aurinkoenergia; 0,1 Uusiutuvat energialähteet yhteensä 464,9 PJ (129,1 TWh) (38,7 %) Sähkön tuotanto uusiutuvilla 29,6 TWh (44,7 %) Tilastolähde: Tilastokeskus Metsähake 7,1 Mm 3 57,4 PJ (15,9 TWh) 16,4 % puupolttoaineista Puun pienkäyttö 62,6 PJ (17,4 TWh) - Pelletit 0,6 PJ - Metsähake 4,7 PJ - Polttopuu 57,3 PJ Kiinteät puupolttoaineet teollisuudessa ja energiantuotannossa 140,2 PJ (38,9 TWh) - Puutähdehake 8,3 PJ - Metsähake 52,7 PJ - Sahanpuru 17,9 PJ - Kuori 45,7 PJ - Pelletit ja briketit 3,7 PJ - Muu puupolttoaine 6,2 PJ - Kierrätyspuu 5,6 PJ Mustalipeä 146,3 PJ (40,6 TWh) 5

6 6

7 7

8 Kiinteiden puupolttoaineiden käyttö, miljoona m 3 25,00 20,00 15,00 10,00 Metsähake Kuori Puru Teollisuuden puutähde Muu Pelletit ja briketit Kierrätyspuu Puru 2,7 Mm 3 Kuori 7,7 Mm 3 5,00 0, * Metsähake 7,1 Mm 3 Tilastolähde: Luke * ennakkotieto 8

9 Metsähakkeen raaka-ainelähteet, m Järeä runkopuu 0,3 Mm 3 Kannot 0,6 Mm 3 Hakkuutähde 2,3 Mm 3 Pienpuu 3,9 Mm 3 Pienpuu Hakkuutähteet Kannot Järeä runkopuu Muut Tilastolähde: Luke * ennakkotieto 9

10 Puuenergian tuotanto ja käyttö 10

11 Metsähakkeen korjuumenetelmät käyttö vuonna 2016 Hakkuutähteen haketusmenetelmät Tienvarsi 82 % Terminaali 8 % Käyttöpaikka 10 % Pienpuun haketusmenetelmät Tienvarsi 47 % Terminaali 40 % Käyttöpaikka 13 % Kantojen murskausmenetelmät Tienvarsi 23 % Terminaali 43 % Käyttöpaikka 34 % Lähde: Metsäteho 11

12 Metsähakkeen kustannusvertailu 1.5 /MWh Puunhankinta (kantohinta) 5.0 MWh/ Metsäkuljetus, varastointi ja varaston kate 0.80 /MWh Sidotun pääoman kustannus (10 % korolla) /MWh Haketus ja kuljetus (100 km) Suora toimitusketju Arvon nousu /MWh 2.2 /MWh Puunhankinta (kantohinta) /MWh Kaato ja metsäkuljetus 0.8 /MWh Sidotun pääoman kustannus (10% korolla) 8.8 /MWh Haketus ja kuljetus (100 km) Kaato & metsäkuljetus Hakkuutähdehake Suora toimitusketju Arvon nousu /MWh Puun kasvatus Puun hankinta Varastointi Haketus & kuljetus Kustannus laitoksella Rankahake Terminaaliketju Arvon nousu /MWh Biomassan tienvarsihinta 10 /MWh Kuljetus terminaaliin 3 /MWh Käsittely terminaalissa (purku, siirtokuljetus, terminaalisiirto, syöttö hakkuriin tai murskaimeen, lastaus kuljetusta varten, sidotun pääoman kustannus (10%) kiinteä kulu terminaalissa) 1 TWh terminaalista suoraan/kausivarasto, /MWh Kuljetus terminaalista (juna, 600 km) 6.2 /MWh Lähde: Virkkunen M., Kari M., Hankalin V. & Nummelin J Solid biomass fuel terminal concepts and a cost analysis of a satellite terminal concept. VTT Technology 211.

13 Metsähakkeen, purun ja kuoren hintakehitys , /MWh 24,00 22,00 20,41 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 Metsähake Puru Kuori Lähde: Foex Indexes 15,65 14,26 Hakkeen hinta vuonna 2004 oli 10,2 /MWh (nykyrahassa 12,49 /MWh) 13

14 Metsähakkeen käyttö pienissä laitoksissa ja polttoaineen laatuvaatimukset Käyttäjä Polttoaine Käytetty teknologia Polttoaineen tärkeimmät laatuvaatimukset Koti- ja maatalous (< 50 kw) Karsittu rankahake Stokerikattilat Kosteus < 35 %, homogeeninen palakoko P31 ja P45 mm Maatilat, isot kiinteistöt (< 1 MW) Kokopuu tai rankahake Stokerikattilat Arinapoltto Kaukolämpölaitokset (< 5 MW) ja pienet CHP-laitokset Metsätähde ja rankahake Arina- tai leijupoltto Myötävirtakaasutus (< 2 MW) Kosteus < 40 % arina- ja leijupolttoon Kaasutukseen kosteus < 25 %, palakoko mm, tuhka < 1 % k.a., korkea tuhkansulamislämpötila, irtotiheys > 200 kg/m 3 Laatuvaatimukset: Alakangas & Impola, Puupolttoaineiden laatuohje tai standardi: SFS-EN ISO :2014 Kuva: Veljekset Ala-Talkkari Oy 14

15 Hakkeen tai murskeen käyttö lämpö- ja CHP-laitoksissa ja polttoaineen laatuvaatimukset Käyttäjä Polttoaine Käytetty teknologia Polttoaineen tärkeimmät laatuvaatimukset Lämpö- ja CHPlaitokset (5 10 MW) Metsätähde-, kokopuu- tai rankahake Arinapoltto (voi olla savukaasunlauhdutin) Leijupoltto Kosteus < 50 % (alkalit ja kloorit), Palakokosuositus P45 Laaja polttoainevalikoima Vastavirtakaasutus (< 10 MW) Kosteus < 50 % Palakoko mm Lämpö- ja CHPlaitokset (10 50 MW) sekä > 50 MW Metsätähdehake kantomurske, sahanpuru, kuori ja kierrätyspuu Leijupoltto Kosteus %, selvitettävä alkuainepitoisuudet (alkalit, kloori). Kierrätyspuulle kattilakohtaiset laatuvaatimukset Joustava polttoaineen suhteen Kupliva/kiertoleijukaasutus ( MW) Kosteus < 50 %, selvitettävä alkuainepitoisuudet (alkalit, kloori) Palakoko < mm Laatuvaatimukset: Alakangas & Impola, Puupolttoaineiden laatuohje tai standardi: SFS-EN ISO :

16 Arinapoltto Suunniteltu märille polttoaineille Polttoaineen syöttö ruuvilla arinan keskelle Säädettävä primääri-ilman jako arinalevyjen läpi Sopii kosteille polttoaineille Savukaasun kierrätys arinan jäähdytykseen Kattilakapasiteetti Lämpökattilakoko 4 25 MW Höyrykattila 4 37 t/h, 50 bar, 450 C Kuva: KPA Unicon 16

17 Kerrosleijukattila (BFB) Joustava polttoainevalikoima Voidaan käyttää useita erilaisia polttoaineita samassa kattilassa Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa 5 14 MJ/kg Voidaan yhdistää öljyn ja kaasun polttoon Kuorman vaihtelun kapasiteetti Samat säätöperiaatteet kuin öljyn ja kaasun poltossa Nopea palaminen, polttoaine ei kasaannu arinalle Korkea hyötysuhde Vähäinen lisäilman tarve Korkea palamishyötysuhde Kuva: Valmet Oyj 17

18 Esimerkkinä Järvenpään CHP-laitos Polttoaineet metsähake, jätepaperi, jätekartonki, kierrätyspuu hevosen lanta Polttoainerekat Kerrosleijukattila (BFB) 76 MW pa Poltto tuottaa lämpöä höyrypiiriin, ja vapauttaa savukaasuja ja niiden sisältämän vesihöyryn Höyry Vesi Höyry Savukaasut Turpiini Lämmön vaihdin Generaattori Kaukolämpövesi ( ⁰C) Kaukolämpöverkon paluuvesi (35 45 ⁰C) Talteensaatu lisälämpö 15 MW th Polttoaineterminaali Polttoainevarastot Savukaasupesuri Savukaasunlauhdutin Sähköverkko 23 MW e Kaukolämpö-verkko 45 MW th Puhdistetut savukaasut ilmakehään Savupiippu Tuhka Lauhdevesi

19 Kiertoleijukattila (CFB) Joustava polttoainevalikoima Voidaan käyttää korkean lämpöarvon omaavia (6,5 32 MJ/kg) sekä kosteita polttoaineita (60 %) ja korkean tuhkapitoisuuden omaavia polttoaineita Laaja kattilakokovalikoima Polttoaineteho 1000 MW (sähköä 300+MW e ) Mahdollisuus käyttää polvitulistinta Mahdollisuus saavuttaa korkeammat höyryn arvot ja korkeampi sähköntuotannon hyötysuhde haastavilla polttoaineilla Kuva: Valmet Oyj 19

20 Vaasan ja Äänekosken kaasutin Meesauuni Kuva: Valmet Oyj 20

21 Kestävä kehitys ja metsäenergia RED II (COM(2016) 767 final) Kestävyyskriteerit myös kiinteille ja kaasumaisille polttoaineille Metsähake 3 5 gco 2 /MJ, noin 150 km kuljetusetäisyydellä LULUCF? 21

22 Aineistoa Alakangas, E., Lindroos, T.J., Koljonen, T., Skeer, J. (2018). Bioenergy from Finnish forests: Sustainable, efficient and modern use of wood. International Renewable Energy Agency, ISBN p. Alakangas, E., Hurskainen, M., Laatikainen-Luntama, J. & Korhonen, J. (2016). Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia, VTT Technology 258 ( Alakangas, E. & Impola, R. (2014) Puupolttoaineiden laatuohje, VTT-M Päivitys update.pdf Koponen, K., Sokka, L. Salminen, O., Sievänen, R., Pingoud, K., Ilvesniemi, H., Routa, J. Ikonen, T. Koljonen, T. Alakangas, E. Asikainen, A. & Sipilä, K. (2015), Sustainability of Forest Energy in Northern Europe, VTT Technology Koponen, K. & Sokka, L., (2017)REDII -ehdotus: Kasvihuonekaasupäästövähenemää koskevat kestävyyskriteerit, VTT-R

23 A brighter future is created through science-based innovations. #vttpeople